路基侧向位移观测中测斜管偏转和扭转研究

黄向群，张军辉，李友云，江唯伟

（长沙理工大学交通运输工程学院，长沙 410076）

路基侧向位移观测中测斜管偏转和扭转研究

黄向群，张军辉，李友云，江唯伟

（长沙理工大学交通运输工程学院，长沙 410076）

提高路基侧向位移测试精度，对于软基处理效果的检验、控制软基的侧向变形速率、指导软基段路基的施工是很有必要的。以意大利SISGEO测斜仪为例，阐述了测斜仪的使用习惯和测试原理，结合现场实践和理论方法，分析测斜管导槽偏转和扭转问题产生误差的原因，提出相应的解决措施，并通过设计的室内试验验证了导槽偏转处理方法的合理性。从而解决了测斜管偏转及扭转带来的误差问题，为数字测斜仪的使用提供新的经验。

测斜仪；侧向位移；导槽方向；扭转

1 概 述

路基侧向位移的大小及其变化速率是控制路堤填筑过程中能否满足变形与稳定性要求的主要参量之一［1］，也是影响路基最终沉降量大小的重要因素［2］。目前，常用的侧向位移观测方法有边桩和测斜管2种方式。由于边桩埋深浅、易受扰动，测试结果可靠性低，因此，对于重点断面或重点工程，常采用测斜管进行侧向位移观测。该方法能及时了解不同深度土体的变形情况和运动状态以及准确测量各时间段的路基侧向位移。但已有工程实践与研究表明，该法还存在一定缺陷与弊端，导致所测结果偏离真实值，影响到路堤施工过程中实时监测信息的准确性和决策的合理性与有效性。文献［3，4］对测斜仪测量路基侧向位移的局限性做过一些分析，但相关文献对于测斜管导槽与路线方向不垂直（即导槽偏转）时的处理措施以及导槽扭转所产生的误差分析处理鲜有报道，而这些情况在软土地区路基的侧向位移观测中很难完全避免。

为此，本文依托岳阳至常德高速公路软基观测工程，以意大利SISGEO公司生产的高精度伺服加速度计为敏感元件的滑动式数字测斜仪为例，分析了测斜仪的使用习惯和测试原理；结合现场测试成果并通过室内模型试验，系统探讨了被普遍忽视的测斜管导槽偏转问题以及普遍存在的导槽扭转问题，并给出了应对措施。

2 测斜仪的使用习惯

2．1 导槽的规定

在2个相互垂直的平面内有4个纵向的导槽，定义4个槽分别为1，2，3，4；且导槽1远离路基为参考槽，导槽2从导槽1顺时针加90°，导槽3从导槽1顺时针加180°，导槽4从导槽1顺时针加270°，测斜管导槽参考方向见图1所示。

图1 导槽与读数示意图Fig．1 Specification of the guide groove and readings

2．2 参照轮的规定

制造商为每个探头都指定了参照轮方向并以A为标记刻在参照轮一侧，在测量时用以准确定向，这对于数据处理及其解释起着关键的作用。假定探头上两滑轮所在的平面是A则该处探头的信号称为“通道A”；同样的，假定同它垂直的平面是B，则该处探头的信号称为“通道B”。由于测斜管在空间具有一定的位置与方向，那么由探头输出的电子信号（通道A、B）有正负之分，具有矢量性质。

2．3 读数的规定与获取

在测量的过程中，采集仪显示的读数随着参照轮在每个导槽的不同而有如下定义（图1）：参照轮在导槽1的时候，读数显示A1和B1；参照轮在导槽2的时候，读数显示A2和B2；参照轮在导槽3的时候，读数显示A3和B3；参照轮在导槽4的时候，读数显示A4和B4。A1，A2，A3，A4为A平面上的矢量值；B1，B2，B3，B4为B平面上的矢量值。

测斜仪提供2种测量方式：一是在2个导槽中量测、二是在4个导槽中量测。在2个导槽中量测情况下，允许在1－3平面或2－4平面进行量测，在1－3平面量测时，先把探头的参照轮方向对准槽1得到A1和B1值，完成后将探头调转180°，参照轮方向对准槽3得到A3和B3值，此时量测工作完成；同理，也可在2－4平面中的槽2与槽4中量测分别得到A2和B2值和A4及B4值。在4个导槽中量测情况下，先把探头的参照轮方向对准槽1得到A1和B1值，之后按顺时针方向把探头的参照轮依次对准槽2、槽3、槽4，分别得到A2和B2值，A3和B3值，A4，B4值；此时量测工作完成。

3 测斜仪工作原理

图2 计算示意图Fig．2 Schematic diagram of the calculation

伺服加速度计式测斜仪的工作原理是基于测头传感器加速度计测量重力矢量g在测头轴线垂直面上的分量大小，从而确定测头轴线相对于水平面的倾斜角。当加速度计敏感轴在水平面内时，矢量g在敏感轴上的投影为0；加速度计输出为0，当加速度计敏感轴与水平面成一倾角θ时（图2），加速度计输出一电压信号Uout1＝K0＋K1·g·sinθ，式中，K0为加速度计偏值；K1为加速度计电压刻度因数；g为重力加速度。

为消除K0影响，可将测头调转180°，在该点进行第2次测量，得到Uout2＝K0－K1·g·sinθ，于是得Uout1－Uout2＝2K1·g·sinθ，即sinθ＝（Uout1－Uout2）／（2K1·g），故测段长度L内水平偏移量Δiy＝L·sinθ＝L·（Uout1－Uout2）／（2K1·g），从而求出任意深度相对于测斜管顶部或底部的总侧向位移δ侧向＝ Δiy。

4 测斜管导槽偏转及处理

4．1 导槽偏转及数据处理措施

相关文献［5］规定，测斜仪量测路基侧向位移时，采用经纬仪校正测斜管导槽的方向，使一对导槽与可能发生侧向位移的方向（路基横断面方向）一致；但在实际埋设测斜管过程中，由于存在一些问题（软土地基易缩孔、下管时间较短，测斜管刚度问题、只能分段下管，逐节在孔口接成所需的长度，加上孔中地下水的上浮力、下管困难，经纬仪的精度以及操作误差，现场条件复杂多变等原因），使导槽方向校正难免存在偏差，此时，若按导槽方向与路基方向垂直情况来处理数据，势必导致量测结果失真。因此，如何进行数据测试及处理就显得尤为重要。

图3 计算原理图Fig．3 Calculation princip le illustrative diagram

根据测斜仪测试原理，当测斜管导槽方向与路线方向不垂直时，即槽1－3方向与路基侧向存在一夹角（本文所用测斜管以导槽1为参考槽）。如图3所示，取一个测段长度L分析，以该段管的底端为基准，它的中轴线O1O2随土的作用沿路基横断面方向偏移，此时铅直线O2O3在A和B两平面（槽1－3平面、槽2－4平面）的投影分别是AO2和BO2，它们在A和B两平面内与中轴线O1O2的夹角分别是βA和βB。为了消除K0的影响，提高测试精度，将测头调转180°进行第2次测量，正反测读2次分别得到A1和B1和A3和B3。此时读数采集仪所显示的读数就是K0＋K1·g·sinβA和K0－K1·g·sinβB。对该测段上A和B平面内的值各取其差值的一半，即以（A1－A3）／2和（B1－B3）／2作为计算值，可得该测段在A和B平面上的相对位移O1A和O1B。

式中：K为探头敏感系数，因设备而定，对于本文采用的测斜仪，K＝K1·g＝20 000；βA为∠AO2O1；βB为∠BO2O3。其他符号意义同前。

将O1A，O1B在路基侧向和路基纵向进行矢量分解再叠加，得到该测段沿路基侧向和路基纵向的偏移量Δiy和Δix。由测斜管底部测点开始逐段叠加，即可得到任意深度土体相对于底部沿路基侧向和路基纵向的偏移量。由于地基土体在路堤条形荷载的作用下，土体变形主要发生在路基侧向方向上，因此，只要算出Δiy，并逐测段叠加即可。

4．2 导槽偏转处理措施的可行性验证

为验证本文提出的导槽偏转数据处理方法的可行性，结合现场实际情况，设计了室内模型试验。试验时，通过改变导槽方向，得到各旋转角度下的偏移情况，然后进行对比分析。

先规定x，y方向以及测斜管的导槽1，2，3，4（图4），定义导槽1－3与x正方向的夹角为α，取一段2 m长的测斜管，将其以固定的倾斜度放置好，并使导槽1－3与y方向一致（α＝90°）（图5），此时将探头的参照轮对准槽1插入测斜管固定的深度，测得A1和B1值，拔出探头调转180°插入同样深度得到A3和B3值，把得到的A1，B1，A3，B3代入编好的Excel公式中算得在此角度下导轮轮距范围内y方向（路基侧向）上的偏移量以及x方向（路基纵向）上的偏移量；同理，以测斜管的中轴线为准顺时针依次旋转22．5°，直到槽1－3与x方向重合，分别得到α在67．5°，45°，22．5°，0°这4种情况下x，y方向上的偏移量。计算结果如表1所示。

图4 测斜管俯视图Fig．4 Plane view of the casing

图5 测斜管侧视图Fig．5 Side view of the casing

同时，量测得到测斜管在地面上的投影为1 664 mm，则由相似三角形原理，导轮轮距（0．5 m）范围内y方向上实际偏移量Δiy＝500×1 664／2 000＝416 mm。

由上表可知，测斜管在不同的角度下得到的y方向上的偏移量Δiy基本相同，且都接近真实偏移值416 mm，负值说明测斜管朝y轴的负方向发生了偏移。而在x方向上的偏移量理论上应为0，但实际上出现了1～5 mm的偏移值，这是量测时人为操作导致的误差。因此，本文提出的测斜管埋设时导槽偏转情况下的数据处理方法合理可行，并可编制EXCEL公式，方便地运用于实际工程。

5 测斜管导槽扭转及处理

测斜管导槽扭转的大小，是衡量测斜管质量和埋设质量的重要指标。国际岩石力学学会岩石力学建议方法和我国岩石力学试验规程都规定：在埋设好的测斜管内，每3m长度的扭转角不得超过1°，在全长范围内不超过5°［6］。

利用测扭仪对测斜管扭转情况进行检测，其工作原理是利用磁通门测量地磁场强的方法来实现定向的目的。探头内2个相互正交的磁通门，可同时测出2个正交的水平地磁分量（Ⅰ和Ⅱ），利用公式tgβ＝Ⅰ／Ⅱ计算出相对方位角β［7］。通过对孔内测斜管导槽自下而上的方位测量，并把每一测点测到的方位变化量逐点累加起来，就可获得全孔测斜管导槽扭转角沿深度分布的全貌。吴铭江等［6］对东风水电站、三门峡水库、韩城发电厂3个工程中，26个测斜管的扭转情况进行了系统性的检测与分析，结果表明：扭转角的大小主要取决于安装质量，PVC管的扭转较为严重，如其在3 m长度内的扭转角大多在1．2°以上，个别的达到4．2°，远超过规程的要求。

实际工程中测斜管的扭转现象普遍存在。考虑费用因素，PVC管在公路变形监测中的使用较为普遍，但其变形稳定性差；同时，由于分段下管逐节在孔口接成所需的长度时，不易使导槽对正；软土易缩孔、钻孔内浮力大，导致下管困难等因素使得埋入土体中的测斜管易发生扭转。因此，要想完全消除测斜管的扭转问题是不可能的，只能尽量将扭转角控制在规范范围内，但这在工程上还存在一定困难，不易实现。

既然测斜管已经存在扭转，在对测斜管扭转问题进行处理时，应结合每根管的具体扭转情况进行分析。当测斜管埋设完毕且稳定后，对其扭转角进行检测，绘出各测斜管扭转角在全孔沿深度分布曲线，视各管全长范围内扭转角的大小情况，扭转角超过规范值的测斜管应通过孔口导槽方位角（表1中的α角），算得几个合适深度的导槽方位角。此时测斜管全长范围内有几个不同导槽方位角α的计算段，然后采用导槽偏转时数据处理方法，算出各个α角下的计算段在路基侧向上的偏移量，再对各计算段的偏移量代数求和，即可得到测斜管全长范围内的侧向位移。

表1 位移计算表Table 1 Disp lacement computing chart

6 结 语

测斜仪测试地基变形是重点工程或重点断面常用的稳定监测方法。本文基于岳常高速公路软基观测工程，以意大利SISGEO公司生产的滑动式数字测斜仪为例，阐述了测斜仪的使用习惯和工作原理，分析了测斜管埋设时导槽偏转产生的原因，提出了数据处理方法，通过室内试验验证了本文提出的方法是合理可行的，并结合编制的EXCEL公式，可方便地应用于实际工程。此外，由于测斜管质量和施工埋设等原因，测斜管扭转现象是不可避免的，配合测扭仪对测斜管扭转的检测，利用本文提出的方法能有效地解决测斜管扭转带来的误差问题。

［1］ 刘增贤，汤连生．路堤荷载下软土侧向挤出沉降分析［J］．工程勘察，2003，（2）：1－4．（LIU Zeng xian，TANG Lian sheng．The analysis about lateral squeezing settlement of soft soil foundation under embankment［J］．Geotechnical Investigation and Surveying，2003，（2）：1－4．（in Chinese））

［2］ 周 镜．软土沉降分析中的某些问题［J］．中国铁道科学，1999，20（2）：17－29．（ZHOU Jing．Settlementanal ysis of embankment on soft clay［J］．China Railway Sci ence，1999，20（2）：17－29．（in Chinese））

［3］ 刘金龙，栾茂田，王吉利．测斜仪测量路基水平位移过程中的局限性分析［J］．长江科学院院报2007，24（5）：56－59．（LIU Jin long，LUAN Mao tian，WANG Ji li．Analysis on limitation of inclinometer inmeasuring lateral displacement of soft soil foundation under embankment［J］．Journal of Yangtze River Scientific Research Institu te．2007，24（5）：56－59．（in Chinese））

［4］ 成 芸，张永庆．地基土侧向变形测量误差的分析与控制［J］．岩土工程师，2003，15（4）：42－45．（CHENG Yun，ZHANG Yong qing．The analysis and control of in clinometer’s error on ground monitoring［J］．Geotechnical Engineer．2003，15（4）：42－45．（in Chinese））

［5］ 葛折圣，黄晓明，王自成．土体测斜仪在软基段路基变形检测中的应用［J］．公路交通科技，2003，20（4）：26－29．（GE Zhe sheng，HUANG Xiao ming，WANG Zi cheng．Soil inclinometer in monitoring horizontal dis placement and settlement of soft ground embankment［J］．Journal of Highway and Transportation Research and De velopment，2003，20（4）：26－29．（in Chinese））

［6］ 吴铭江，陶记昆．测斜管导槽的扭转问题［J］．大坝观测与土工测试，1995，19（3）：15－18．（Wu Ming jiang，Tao Ji kun．The twist problems of inclinometer casing［J］．Dam Observation and Geotechnical Tests，1995，19（3）：15－18．（in Chinese））

［7］ 陶纪昆，马洪亮，佟立夫．导管侧扭仪的研制及应用［J］．水利水电技术，1995，（3）：58－64．（TAO Ji kun，MA Hong liang，TONG Li fu．Development and applica tion of casing［J］．Water Resources and Hydropower En gineering，1995，（3）：58－64．

（编辑：曾小汉）

Research on Deflection and Twist Problems of Inclinometer Casing in Monitoring Lateral Displacement of Soft Soil Foundation Under Embankment

HUANG Xiang qun，ZHANG Jun hui，LIYou yun，JIANGWei wei
（College of Traffic and Transportation Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410014，China）

It is very necessary to improve lateral displacementmeasurement accuracy for checking the treating effect，controlling the rate of lateral deformation and guiding the construction of softground embankment．Taking the Italy SISGEO inclinometer as an example，and according to the field practice and theory method，this paper expounds the use conventions and test principles of the inclinometer，and illustrates the causes of deflection and twist of the inclinometer casing，then puts forward to corresponding solution measures，and meanwhile，designs an indoor test to verify the feasibility of processingmethod of the casing deflection．Thereby，it has resolved the error problem due to deflection and twist of the inclinometer casing，and provides a new reference to the use of the digital inclinome ter．

inclinometer；lateral displacement；groove orientation；twist

TU452

A

1001－5485（2010）05－0049－04

2009 10 06

交通部西部交通科技项目（2009318000062）；交通部应用基础项目（2009319825090）；湖南省教育厅项目

黄向群（1984 ），男，江西吉安人，硕士研究生，主要从事高速公路软基处理方面的研究，（电话）13873151141（电子信箱）daxiang＿hxq＠163．com。